Бионический глаз человека

Бионический глаз — искусственная зрительная система для восстановления потерянного зрения при некоторых формах слепоты.

Рис.1. Бионический глаз по технологии, когда видеокамера также находится на лбу, но видеосигналы передаются в микрокомпьютер размером с бумажник, который находится в кармане. Он переводит видимое изображение в набор коротких импульсов ИК (инфракрасного излучения) светодиодно-жидкокристаллического дисплея, с числом точек в несколько тысяч. Этот поток импульсов отражается от наклонного стекла, расположенного на «очках» перед глазами, проходит через хрусталик, и попадает на фотодиоды имплантата — фотосенсоры в сетчатке глаза и на «пара-центральную область» периферийного зрения. Они усиливают сигнал, используя энергию от крошечной солнечной батареи, также имплантированной в радужку глаза.

В глазу с поврежденной сетчаткой, например, при скотоме, вживляют имплантат — протез сетчатки глаза, дополняя сетчатку c оставшимися в ней неповрежденными нейронами искусственными фоторецепторами (рис. 1, 2).

Проблема восстановления зрения при слепоте

У людей в пожилом возрасте иногда начинается возрастная деградация сетчатки глаза, при которой светочувствительные рецепторы (палочки, колбочки) начинают атрофироваться, то есть перестают реагировать на свет. Наступает полная слепота. При этом нервные клетки сетчатки глаза не погибают, что позволяет создавать системы для восстановления зрения.

Скотома — одна из основных причин слепоты

Рис.2 Применение бионического глаза при полной скотоме

Скотома, от греч. skotos — темнота — пятнообразный дефект, расположенный в поле зрения глаза, вызванный заболеванием сетчатки, болезнями зрительного нерва, глаукомой. Это участки сужают нормальное поле зрения, на них зрение существенно ослаблено, или отсутствует. Различают:

• Абсолютная скотома (absolute scotomata) — участок, в котором зрение отсутствует.
• Относительная скотома (relative scotoma) — участок, в котором зрение значительно снижено.

Предварительно проверить глаза на наличие скотомы можно самостоятельно, проведя исследование с помощью теста Амслера.

Бионический глаз может быть использован для компенсации потерянных зрительных ощущений:

• Как искусственная зрительная система для восстановления не полностью потерянного зрения. В глаз с поврежденной сетчаткой вживляют имплантат — протез сетчатки глаза, дополняя саму сетчатку, c оставшимися в ней неповрежденными нейронами (рис. 1).
• Как искусственная зрительная система для восстановления полностью потерянного зрения (рис. 2).

На рис. 2 показаны:

1. Видеокамера, передающая оптическое изображение на видеопроцессор;
2. Видеопроцессор, который преобразует и передаёт оптическое изображение в виде видеосигналов на передатчик (2) в очках;
3. Путь пересылки электронного сигнала на приёмник-ресивер в глазу;
4. Полученная информация через миниатюрный проводник передаётся на электроды фотосенсора (4), вживлённого в сетчатку;
5. Электронные сигналы по зрительным нервам проходят в головной мозг человека.

Современные технологии восстановления зрения с помощью «бионического глаза»

В ряде случаев используют специальную полимерную пластинку-матрицу с фотодиодами, с которой можно снимать слабые электрические импульсы, передавая их в прилегающие живые нервные клетки. Аналоговые сигналы от созданного на искусственной сетчатке оптического изображения стимулируют сохранившиеся нейроны.

Изображение окружающего пространства может быть сформировано, например, при помощи видеокамеры, установленной на лбу, либо ИК-дисплея, специальных очков, и полимерного фотодатчика — фотосенсора с электродами и отверстиями. Такие системы обеспечивают привычное зрение, как периферийное, так и центральное.

При полной слепоте — в специальные очки встраивается миниатюрная видеокамера, которая работает таким образом:

• (1) информация посылается на видеопроцессор который пациент носит на поясе.
• (2) Процессор преобразует картинку в электронный сигнал и отсылает его на специальный передатчик, также встроенный в очки.
• (3) Затем, этот передатчик посылает беспроводной сигнал на тончайший электронный приёмник-ресивер встроенный в глаз, и фотосенсор (электродная панель) который имплантирован в сетчатку пациента.

Электроды искусственных рецепторов (фотодатчиков) стимулируют оставшиеся действующие зрительные нервы сетчатки глаза, посылая электрические видеосигналы в мозг через зрительные нервы.

Авторы удачных разработок бионического глаза

Дэниел Паланкер

Дэниел Паланкер, Адъюнкт — профессор,Отдел Офтальмологии, Школа Медицины и Hansen Экспериментальная Лаборатория Физики, Стэнфордский Университет

Дэниел Паланкер (Daniel Palanker) из Стэнфордского университета (Stanford University) и его научная группа "Биомедицинской физики и офтальмологических технологий" (Group of BioMedical Physics and Ophthalmic Technologies) разработали протез сетчатки глаза высокого разрешения (имплантант в сетчатку глаза) называемый «Бионическим глазом» (Bionic Eye, рис. 1-3).

Разработки группы Паланкера

• Искусственный объект — Оптикоэлектронный протез сетчатки глаза,
• Взаимодействие в ткани — механизмы и использование,
• Электрические эффекты в области ионных каналов и клеточных мембран,
• Интерфейс «Нерв-устройство»,
• Взаимодействие лазерного излучения и живой ткани,
• Микрохирургические технологии,
• Минимально-повреждающие электрооптические, терапевтические технологии
• Оптическое отображение и спектроскопия.

Устройство и работа бионического глаза

Устройство имплатата

Рис.3. Схема дырчатого имплатата

Имплантат (рис. 3) — специальный фотодатчик со встроенными электродами, он реагируют на свет, создавая оптическое изображение. Свет от видеокамеры, проходящий через хрусталик глаза и фокусируемый на сетчатке с дополнительно вживленным имплатируемым в сетчатку глаза дырчатым полимерным фотодатчиком (в случае полной слепоты фотодатчик получает электронные импульсы изображения по тончайшим проводникам от специального вмонтированного в глаз приёмника-ресивера (3 на рис. 2).

Рис. 6. Схема трихроматизма с оппонентным отбором цвета с участием мозга из 6—7 млн колбочек (биолгических сигналов). В мозг человека идет около 1,2 млн нервных окончаний, по которым идут импульсы обработанных аналоговых сигналов от сформированного на сетчатке оптического изображения

В настоящее время испытывается дырчатая полимерная матрица — имплантант из специального органического материала с количеством фотодиодов 2,5 тысячи на квадратный мм (рис. 3).

Создание искусственной сетчатки глаза человека

Дэвид Гамм (David Gamm) директор Глазного Исследовательского института при Университете Висконсин офтальмолог, всемирно известный специалист по выращиванию сетчатки из стволовых клеток человека. Искусственная сетчатка глаза человека заменит бионический глаз и восстановит нормальное цветное зрение у людей, потерявших зрение или находятся в состоянии деградации сетчатки зрительной системы.

Основные вехи и последние достижения

В 2004 году 64-летней устройство с матрицей на металлической основе и 16-ю электродами апробировали на Линде Морфут из Лонг-Бич (Калифорния). В 21 год ей поставили диагноз пигментный ретинит, а к 50 годам она практически полностью ослепла (левый глаз немного воспринимал свет). установили фотодатчик По ее словам:

«Когда мне дали очки, у меня было удивительное чувство, — вспоминает она. — Я могу играть в баскетбол с внуком, могу стоять посреди тротуара. Я могу найти дверь, чтобы выйти из комнаты, и видеть, как моя внучка танцует на сцене. Когда мы приехали в Нью-Йорк, я увидела статую Свободы, какая она большая. В Париже мы ночью поднялись на Эйфелеву башню, и я видела все огни города. Я почувствовала себя в большей степени причастной к окружающему миру». The Guardian

Как утверждает профессор офтальмологии Марк Хамейун из Института Глаза в Университете Южной Калифорнии (США) к 2009 году глазной протез появится на потребительском рынке по цене около пятнадцати тысяч фунтов стерлингов..

При этом речь идет о протезах с фотодатчиками из полимерных материалов с дырчатой конструкцией с 2,5-ной тысячами пикселей на квадратный мм, с возможностью использования периферийного зрения.

Выводы

• 1) Однако, когда протезы с фотодатчиками из полимерных материалов с дырчатой конструкцией с 2,5-ной тысячами пикселей на квадратный мм, с возможностью использования периферийного зрения будут широко внедряться в практику, то это не значит, что зрение будет цветным.
• 2) Цветное зрение станет возможным при создании АЦП для внедрённых выше указанных имплантатов.

Публикации в новостных агентствах

В 2004 году 64-летней Линде Морфут из Лонг-Бич (Калифорния) с диагнозом пигментный ретинит в возрасте 21 года, когда она практически полностью ослепла к 50 годам (Левый глаз ее немного воспринимает свет) установили фотодатчик с матрицей на основе 16-ти металлических электродов. Эта матрица имеет всего 4 строки по 4 электрода. Однако по ее словам:

«Когда мне дали очки, у меня было удивительное чувство, — вспоминает она. — Я могу играть в баскетбол с внуком, могу стоять посреди тротуара. Я могу найти дверь, чтобы выйти из комнаты, и видеть, как моя внучка танцует на сцене. Когда мы приехали в Нью-Йорк, я увидела статую Свободы, какая она большая. В Париже мы ночью поднялись на Эйфелеву башню, и я видела все огни города. Я почувствовала себя в большей степени причастной к окружающему миру». The Guardian

Питер Лейн c бионическим глазом

Как утверждал профессор офтальмологии Марк Хамейун из Института Глаза в Университете Южной Калифорнии (США) к 2009 году глазной протез появится на потребительском рынке по цене около пятнадцати тысяч фунтов стерлингов, однако этого до сих пор не произошло.

При этом речь шла о протезах с фотодатчиками из полупроводниковых материалов с конструкцией состоящей из 2,5-ой тысяч пикселей на квадратный мм, с возможностью использования периферийного зрения.

• В Великобритании «прозрел» полностью слепой человек. Пациенту в возрасте 76 лет по имени Рон, который ослеп 30 лет тому назад из-за наследственной болезни, удалось пересадить так называемый бионический глаз.
• 51-летнему Питеру Лэйну в Великобритании одному из первых в мире в декабре 2009 года имплантировали в глаз электронные фотодатчики, посылающие в мозг сигналы, собираемые специальными очками. Эта технология позволила англичанину впервые за 30 лет увидеть очертания объектов, например, дверь, шкаф, а также даже распознавать буквы.

См. также

• Визуальный протез (версия Миг)
• Бионическая контактная линза (версия Миг)
• Зрение (версия Миг)
• Зрение человека (версия Миг)
• Периферийное зрение
• Глаз (версия Миг)
• Офтальмология
• Биохимия зрительного восприятия света
• Биофизика цветного зрения (версия Миг)
• Ретиномоторная реакция фоторецепторов сетчатки глаза
• Основные цвета (версия Миг).

Ссылки

• Бионический глаз - уже не теория, но практика.[1].
• Бионический глаз - YouTube. [2].